煤矿井下爆破作业频带能量分布规律.pdf

第 3 3卷第 2期 2 0 1 6年 6月 爆破 BLAS TI NG Vo 1 ． 3 3 No ． 2 J u n ． 2 0 1 6 d o i 1 0 ． 3 9 6 3 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 4 8 7 X ． 2 0 1 6 ． 0 2 ． 0 1 5 煤矿 井下爆破作 业频 带能量分布规律 木 肖 1 ,2 张 鹏 翔 1 ,2 ,3 ， 李 青 松 1 ,2 ,3 ,4 ， 朱 权 洁 1 ． 贵州省矿山安全科学研究院， 贵阳 5 5 0 0 2 5 ； 2 ． 贵州省煤矿设计研究院， 贵阳 5 5 0 0 2 5； 3 ． 贵州省煤矿瓦斯防治工程技术研究中心， 贵阳 5 5 0 0 2 5 ； 4 ． 贵州安和矿业科技工程股份有限公司， 贵阳 5 5 0 0 2 5 摘要 为 了有 效降低 煤矿井下爆破作业扰 动 ， 减 少爆破 诱发 的矿震和 煤与 瓦斯 突 出等 次生 灾害， 需要 对 煤矿 井下爆 破作业能量 变化规律进行研 究。采用锚杆外挂 式方 法安装传 感器 ， 优 化 了微 震监 测 系统安 装方 法。对煤矿井下爆破作业过程 的微震 信号进行采集 ， 并应用小波 包分解 方法分析 其频谱 ， 发现 煤矿 井下爆破 作业信号的能量频带分布范围广， 各个频带内爆破微震信号的能量百分比不断变化。爆破微震信号9 2 ％以 上的能量集中在0 5 0 0 H z 的低频带范围内。随传播距 离的增加 ， 微震信号的高频部分衰减速度快。在煤 矿现场应用低爆速、 低密度、 小直径的炸药， 降低最大一段的炸药药量， 采用分散布药与不耦合装药方式有利 于降低 地震效应。 关键词 煤层 ；爆破 ； 微震 ； 频谱分析 中图分 类号 T D 7 1 3 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 1 4 8 7 X 2 0 1 6 0 2 0 0 7 8 0 5 Fr e q u e nc y Ba n d En e r g y Di s t r i b u t i o n o f Co a l M i n e Bl a s t i n g X I A O Z h u ， Z H A N G P e n g ． x i a n g ， L I Q i n g ． s o n g ’ ， Z HU Q u a r t - fi e 1 ． G u i z h o u M i n e S a f e t y R e s e a r c h I n s t i t u t e ， G u i y a n g 5 5 0 0 2 5 ， C h i n a ； 2 ． G u i z h o u C o a l mi n e D e s i g n Re s e a r c h I n s t i t u t e ， Gu i y a n g 5 5 0 0 2 5， C h i n a ； 3． Gu i z h o u P r o v i n c e En g i n e e r i n g Te c h n o l o g y Re s e a r c h Ce n t e r f o r Co a l Ga s P r e v e n t i o n ＆ Co n t r o l ， Gu i y a n g 5 5 0 0 25， Ch i n a； 4 ． G u i z h o u A n H e m i n i n g t e c h n o l o g y a n d e n g i n e e r i n g C o L t d ， G u i y a n g 5 5 0 0 2 5 ， C h i n a Abs t r a c t I n o r d e r t o r e d u c e t h e d i s t u r b a n c e c a u s e d b y c o a l mi n e u n d e r g r o u n d b l a s t i n g ， r e d u c e t h e s e c o n d a r y d i s a s t e r s s u c h a s mi n e e a rt h q u a k e a n d c o a l a n d g a s o u t b u r s t ， n e e d t o s t u d y t h e e n e r g y v a r i a t i o n l a w o f c o al mi n e b i a s t i n g o p e r a t i o n ． I n s t all t h e s e n s o r u s i n g b o l t p l u g i n me t h o d， i n s t a l l a t i o n me t h o d t o o p t i mi z e t h e mi c r o s e i s mi c mo n i t o ri n g s y s t e m． C o a l mi n e b l a s t i n g p r o c e s s o f mi c r o s e i s mi c s i g n al a c q u i s i t i o n a n d a p p l i c a t i o n o f wa v e l e t p a c k e t d e c o mp o - s i t i o n me t h o d f o r t h e a n a l y s i s o f t h e s p e c t r u m ， i t i s fou n d t h a t t h e c o al mi n e b l a s t i n g s i g n a l fr e q u e n c y b a n d e n e r g y d i s t ri b u t i o n o f a wi d e r a n g e o f p e r c e n t a g e o f e n e r gy i n e a c h fr e q u e n c y b a n d o f b l a s t i n g s e i s mi c s i g n als c o n s t a n t l y c h a n g i n g ． Mo r e t h a n 9 2 ％ o f t h e e n e r g y c o n c e n t r a t i o n o f b l a s t i n g s e i s mi c s i g n als i n t h e 0～5 0 0 Hz fre q u e n c y b a n d ． W i t h t h e i n c r e a s e o f p r o p a g a t i o n d i s t a n c e ， t h e h i g h f r e q u e n c y p a r t o f mi c r o s e i s mi c s i g n a l a t t e n u a t i o n s p e e d ． I n t h e c o al mi n e fi e l d， t h e l o w d e t o n a t i o n v e l o c i t y ， t h e l o w d e n s i t y， t h e s ma l l d i a me t e r o f t h e e x p l o s i v e， a n d t h e l o w e r t h e ma x i mu m a mo u n t o f e x p l o s i v e c h a r g e ， a n d t h e d i s t r i b u t i o n o f t h e d rug a n d t h e n o n c o u p l i n g c h arg i n g me t h o d are u s e d t o r e d u c e t h e s e i s mi c e f f e c t ． Ke y wo r d s c o a l s e a m；b l a s t i n g ；mi c r o s e i s mi c ；s p e c t rum a n a l y s i s 第 3 3卷第 2期 肖铸 ， 张鹏翔， 李青松， 等煤矿井下爆破作业频带能量分布规律 7 9 煤矿井下爆破作业时 ， 能量较大 ， 扰动影响大， 对含瓦斯煤岩体破坏严重。井下系统环境 中瓦斯运 移场 、 地应力场受到破坏后失衡 ， 导致煤岩体受力不 均衡 ， 瓦斯运移过程突变 ， 导致发生顶板 冒落 、 煤与 瓦斯突出等事故。根据多年来煤矿事 故统计分析 ， 发现所有的作业过程 中， 爆破作业最易诱发顶板事 故 、 煤与瓦斯突 出事故的作业。尤其是贵州 中小煤 矿多数煤矿采用炮掘作业方式进行掘进 ， 因此 ， 本文 引入微震 手段 对煤矿井下煤 岩体状态进 行监测监 控 ， 目的是研究煤岩体受爆破作业影响后的变化、 失 衡 、 破坏过程 ， 有效降低爆破后 的振动效应 ， 减少煤 矿事故的发生。 1 概况 微震监测 系统主要包 括信号采集 、 信号接收系 统 、 信号处理系统三大部 分。微震监测技术最早在 井下工程中应用于贵重金属矿山开采诱发 的地震。 截止 目前为止 ， 在国内矿 山主要应用在监测矿柱残 存地压 、 冲击地压、 煤与瓦斯突出、 岩爆监测预警 、 岩 体稳定性等各个方 面， 并 取得较好 的效果 。相对 于 传统的监测手段 ， 微震技术可 以监测煤层 内部微震 事件 ， 追踪煤层深部受扰动地质体裂隙发育、 发展和 突出的变化过程和受采动影响区域内的地应力 的重 新分布过程。 井下巷道 掘进爆破时 ， 大部分的爆破能量在破 坏和粉碎煤岩体 的过程 中被耗散 ， 小部分能量传播 出去 。传播 的过程是一个能量不断衰减的过程。 由于煤岩体物理力学性质不均匀 ， 且含有不连续的 结构面， 因此 ， 在介质 中产生的波动现象十分 复杂 。 一 方面， 煤岩体介质中波 的能量随着反射和投射减 少 ， 另一方面 ， 随着 内摩擦现象而被吸收 ， 并使煤岩 体积蓄一部分弹性 能。爆破在煤岩体 中发生后 ， 产 生冲击波、 应力 波、 地震波。其 中， 冲击波使煤岩体 破碎 ， 应力波使煤岩体指点发生位移和应变 、 扩张和 应变 ， 地震波引起裂隙的发育。冲击波破坏作用最 大 ， 传播距离最短 ； 应力波、 地震波作用范围较大 ， 时 间较长 。经笔者对煤矿井下现场爆破作业数据进行 收稿 日期 2 0 1 6 0 4 0 6 作者简介 肖铸 1 9 6 5一 ， 男 ， 高级工 程师 、 学 士 ， 主要从事煤 矿设 计 、 瓦斯 防治 、 安全工程与技 术等方 面 的工 程技术 服务和 科研工作 ， E - m a i 3 4 9 6 3 5 2 3 6 q q ． e o m。 通讯作者 张鹏翔 1 9 8 7一 ， 男 ， 工程师 、 硕 士 ， 主要 从事瓦斯 防治 、 煤矿设计与咨询 、 安全技术及工程等方面 的工程技术服务 和科研工作 ， E ma i l 2 4 4 4 9 2 5 2 5 q q ． e o m。 基金项 目 国家 “ 十二五” 科技支撑计划项 目 2 O 1 2 B AK o 4 B o 7 ； 贵州 省社会发展攻关计划项目 黔科合社 G字[ 2 0 1 1 ] 4 0 0 3 、 黔 科合 S Y字 [ 2 0 1 0] 3 0 3 6 统计表 明， 与露天台阶式爆破不同， 煤矿井下爆破微 震波信号时间为 2 5 0 m s以上。微震监控传感器 布 置于应力波 、 地震波的作用范 围内。 2 煤矿 井下爆破 能量 煤与瓦斯突出事故相关资料统计分析研究结果 表明， 煤矿井下爆破作业是煤与瓦斯突出的最主要 诱导方式 ， 掘进工作面是煤与瓦斯突出事故发生 的 主要地点区域 。煤矿井下爆破震动的危害程度受到 爆破震动幅值 、 频谱 、 持续时 间等多参数 的作用影 响。而且与爆破次数 、 爆破前应力状态 、 周围煤岩体 特性等相关。井下爆破作业释放的能量大部分在破 坏 、 抛掷煤岩体的过程 中耗散掉 ， 仅有一小部分在传 播介质 中转化为煤岩体 、 空气等介质中传送 的地震 波。地震波能量 占总能量 的百分比因传播介质不同 而迥异 J ， 大部 分介 质中能量 占比在 3 ％ ～2 0 ％之 间 。在均匀介质体中， 爆破振动地震 波传播过程 中能量消耗 较非 均匀介 质 少 ， 引起 的振 动效 应影 响大。 煤矿井下掘进巷道爆破作用在炮孔 中的最大压 力与爆破炸药的性质 、 密度、 爆速以及爆破时的装药 结构有关 ， 在时间历程上 ， 先按照指数规律升压然后 再降压。影响爆破振动效应 的因素包括炸药量 、 炮 孔个数 、 炮孔布置方式 、 单段最大药量 、 传播距离 、 煤 岩体性质等 J 。爆破时 ， 起爆药量 、 药包形状 、 炸药 特性 、 煤岩体性质都会影响爆破地震波的频谱 和幅 值特性 。 地震波在煤岩体介质 中传播过程 中， 距离越长 ， 发射、 折射次数越多 ， 衰减幅度越大 ， 频率越少越小 ， 相应的幅值也变小 。地 震波速度 与最大段药量 Q、 水平距离 R， 地形、 地质条件 、 煤岩体性质等有关 的系数 K、 。的相互问关 系可 以利 用萨道夫斯基公 式 V K Q 。 ／ R 。 表示 。煤矿井下爆破掘进过程中 多采用延长药包法 ， 装药结构采用炮孔法 ， 起爆方法 采用微差爆破。微差爆破能有效降低地震效应 。根 据利文斯顿弹性变形方程 ， 以煤岩体在炸药包临界 深度破坏时， 药包临界埋深 与煤岩体弹性变形 系 数 E 、 I 临界药量 q 的关 系为 L E q 。大部 分煤体抗压强度为 1～2 5 M P a 、 纵波波速在 1 5 0 0～ 2 4 0 0 k m／ s 、 弹性模 量为 1 ． 5～4 ． 5 G P a ， 孑 L 隙率 为 2 ． 5 ％ ～ 8 ． O ％ 。与岩体相 比， 煤体抗压强度弱、 波速 慢 、 弹性模量小 、 孔 隙率高。炸药 的密度与爆速 高 时， 对煤岩体 的振动强度增 大。在煤矿井下选用低 爆速、 低密度 、 小直径的炸药 ， 有利于降低地震效应。 降低爆破中最大一段的炸药药量 ， 可有效降低振速。 第 3 3卷第 2期 肖铸 ， 张鹏翔 ， 李青松， 等煤矿井下爆破作业频带能量分布规律 8 1 0 2 4 6 8 1 0 l 2 l 4 l 6 l 8 2O 次 图 2 爆破微震信号小波包分析频带能量分布图 F i g ．2 B l a s t i n g wa v e l e t p a c k e t a n a l y s i s o f mi c r o s e i s mi c b a n d e n e r g y d i s t ri b u t i o n 由图 2可以看出煤矿井下爆破微震信号的频率 丰富 ， 在 0 2 0 0 0 H z的各个频带范 围内均有分布 。 低频信号能量 略为分散 ， 其 中 1 2 5～2 5 0 Hz 、 3 7 5～ 5 0 0 H z 两个频 带范围内信 号能量 占比较大。高频 信号 能 量 较 为 集 中， 主 要 分 布 在 7 5 0～8 7 5 H z 、 1 5 0 01 6 2 5 Hz的频 带范 围内。可见 ， 不 同于一般 信号 ， 可 以采用单个 主频来反应整个频域信 号的特 征 ， 在微震爆破信号分析的过程 中， 需要将不 同频带 的微震能量综合考虑进去。 由于井下爆破作业震源以及传播路径的复杂和 不重复性 ， 每次爆破产生的微震信号各个频带的能 量 占总能量 的百分 比也起 伏不定 。由图 2可 以看 出， 能量 分 布 中百分 比最 大 的两个 频 带 为 1 2 5～ 2 5 0 H z 、 3 7 5～5 0 0 H z 频带 ， 爆破产生微震信号 的频 带能量百分比在不 断变化。综上可 以看 出， 在不 同 的震源和传播路径条件下 ， 爆 破微震信号 的主要频 率及其 能量也在不断发生变化。 爆破微震信号能量频带分布广 ， 但小 于 5 0 0 Hz 的频带能量 占比在 9 2 ％以上 ， 大于 5 0 0 Hz 的频带范 围内信号能量 占比在 8 ％ 以下 ， 可见 义忠煤矿井下 一 次 正 向爆破 中， 微震 波 能量 大部分 集 中在 0～ 5 0 0 H z 的低频频带范围内。 5 0 0 H z以上的频带范 围中 ， 微震 能量百分 比在 8 ％以下 ， 能量 占比较小 ， 主要集 中在 7 5 08 7 5 H z 、 1 5 0 0～1 6 2 5 H z的频带范围内。随着掘进巷道 的不 断推进 ， 爆破微震信号的传播距离逐渐增大， 高频段 信号能量百分 比迅速减小 ， 表 明煤体 中爆破震动信 号的高频部分衰减速度快。 4 小结与展望 1 煤矿井下作业工序 中 ， 爆破作业 释放能量 大 ， 对煤矿井下采 掘系统 、 煤岩层等 造成剧烈 的扰 动， 易引发顶板垮落， 诱发煤与瓦斯突出等 ， 需 要对 爆破作业及其前后 的环境变化进行实时监测监控 ， 严防煤矿重大事故的发生， 减少人员伤亡。 2 煤矿井下煤岩体爆破过程中产生 的能量大 部分 耗散 在 破碎 、 抛掷 煤 岩体 的过 程 中 ， 仅 有 约 3 ％ ～ 2 0 ％的能量转 化为地震波进行扩散 。地 震波 的传播效应受到炸药量 、 爆破参数 、 煤岩体性质 、 传 播距离 、 地质构造环境等因素 的制约。在井下 选用 低爆速、 低密度、 小直径的炸药， 降低最大一段的炸 药药量 ， 采用分散布药与不耦合 装药方式有利 于降 低地震效应。 3 通过合理设定传感器安装距离等方法优化 了传感器布置方案 ； 自主研发 了锚杆外挂式 、 可伸张 埋入式等不同传感器安装方法 ， 有效减少了工程量 ， 降低 了传感器损耗 ， 保证 了传感 器的 回收和循环利 用 ； 使监测监控系统能有效采集煤矿井下爆破作业 信号 。 4 煤矿井下爆破作业信号 的能量频带分布范 围广 ， 各个频带内爆破微震 信号的能量百分 比不断 变化 。爆破微震信号 9 2 ％ 以上 的能量 集 中在 0～ 5 0 0 H z的低频带范围内。随传播距离的增加 ， 微震 信号的高频部分衰减速度快 。 参考文献 Re f e r e n c e s [ 1 ] 薛振举． 煤矿斜井掘进爆破振动监测与分析 [ J ] ． 爆 破 ， 2 0 1 3 ， 3 0 1 7 0 - 7 4 ． [ 1 ] XU E Z h e n q u ． M o n i t o r i n g a n d a n a l y s i s o f b l a s t i n g v i b r a t i o n i n d u c e d b y i n c l i n e d s h a f t a d v a n c e me n t i n c o a l mi n e [ J ] ． B l a s t i n g ， 2 0 1 3 ， 3 0 1 7 0 - 7 4 ． i n C h i n e s e [ 2 ] 卢文波， 张乐 ， 周俊汝， 等． 爆破振动频率衰减机制 和衰减规律的理论分析 [ J ] ． 爆破 ， 2 0 1 3 ， 3 0 2 1 - 6 ， 11 ． [ 2 ] L u We n b o ， Z H A N G L e ， Z HO U J u n r u ， e t a 1 ． T h e o r e t i c a l a n a l y s i s o n d e c a y me c h a n i s m a n d l a w o f b l a s t i n g v i b r a t i o n f r e q u e n c y [ J ] ． B l a s t i n g ， 2 0 1 3 ， 3 0 2 1 - 6 ， 1 1 ． i n C h i n e s e [ 3 ] 宗琦， 汪海波 ， 周胜兵． 爆破地震效应的监测和控制 技术研究 [ J ] ． 岩石力学与工程学报 ， 2 0 0 8 5 9 3 8 9 45． [ 3 ] Z O N G Q i ， WA N G Ha i b o ， Z HO U S h e n g b i n g ． R e s e a r c h o n mo n i t o r i n g a n d c o n t e r o l l i n g t e c h n i q u e s c o n s i d e r i n g e f f e c t s o f s e i s m i c s h o c k [ J ] ． C h i n e s e J o u r n a l o f R o c k Me - c h a n i c s a n d E n g i n e e r i n g ， 2 0 0 8 5 9 3 8 - 9 4 5 ． i n C h i - n e s e [ 4 ] 褚怀保． 煤体爆破作用机理及试验研究 [ D] ． 焦作市 8 2 爆破 2 0 1 6年 6月 上接第 5 4页 [ 1 2 ] 张继春， 宋小林 ， 郭学彬， 等． 深孑 L 爆破条件下岩体软 弱夹层变形特性研究[ J ] ． 中国铁道科学， 2 0 0 8 2 7 7 81． [ 1 2 ] Z H A N G J i c h u n ， S O N G X i a o l i n ， G U O X u e b i n ， e t a 1 ． S t u d y t h e c o n d i t i o n s u n d e r d e e p h o l e b l a s t i n g r o c k d e f o r m a t i o n c h a r a c t e ri s t i c s o f w e a k i n t e rl a y e r 『 J ] ． C h i n a r a i l w a y s c i e n c e ， 2 0 0 8 1 1 7 7 8 1 ． i n C h i n e s e [ 1 3 ] 肖定军， 张继春， 刘恺德， 等． 爆破作用下层间充填物 运动规律的试验研究[ J ] ． 金属矿山， 2 0 0 8 1 0 3 2 3 4． 6 3． [ 1 3 ] X I A O D i n g i n n ， Z H A N G J i c h u n ， L I U K a i d e ， e t a 1 ． E x p e r i me n t a l s t u d y o f t h e mo v e me n t o f f i l l i n g b e t w e e n b i a s ri n g l o w e r [ J ] ． Me t a l Mi n e s ， 2 0 0 8 1 0 3 2 3 4， 6 3 ． i n C h i n e s e [ 1 4 ] 肖定军． 爆破作用下岩体软弱夹层运动规律的研究 [ D] ． 绵阳 西南科技大学， 2 0 0 9 ． [ 1 4 ] X I A O D i n g j u n ． R e s e a r c h b l a s t i n g r o c k m o v e m e n t o f t h e w e a k i n t e r l a y e r [ D] ． Mi a n y a n g S o u t h w e s t U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ， 2 0 0 9 ． i n C h i n e s e [ 1 5 ] 张继春， 肖正学 ， 郑爽英 ， 等． 含软弱夹层岩体爆破的 夹层土运动特征试验研究 [ J ] ． 岩石力学与工程学 报 ， 2 0 0 9 8 1 6 9 7 ． 1 7 0 3 ． [ 1 5] Z HA N G J i c h u n ， X I A O Z h e n g x u e ， Z HE N G S h u a n g ． y i n g ， e t a 1 ． E x p e r i me n t a l s t u d y o n mo t i o n c h a r a c t e r i s t i c s [ 1 6 ] [ 1 6 ] [ 1 7 ] [ 1 7 ] [ 1 8 ] [ 1 8 ] we a k i nt e r l a y e r f o r l ami na t e d s o i l s c o n t a i ni n g r o c k b i a s t i n g [ J ] ． J o u r n a l o f R o c k Me c h a n i c s a n d E n g i n e e ri n g ， 2 0 0 9 8 1 6 9 7 - 1 7 0 3 ． i n C h i n e s e 郝亚飞， 李海波， 郭学彬， 等． 含软弱夹层顺层岩体爆 破效应模拟试验研究[ J ] ． 煤炭学报 ， 2 0 1 2 3 3 8 9 3 9 5． HAO Ya f e i ， L I Ha i b o ， G UO Xu e - b i n， e t a 1 ． E x p e r i me n t a l s t u d y o f l a y e r e d r o c k b l a s t i n g e f f e c t s s i mu l a t i o n c o n t a i n i n g w e a k i n t e r l a y e r [ J ] ． C o a l ， 2 0 1 2 3 3 8 9 3 9 5 ． i n C h i n e s e 郝亚飞， 李海波， 郭学彬， 等． 含软弱夹层岩体边坡爆 破层裂特性及稳定性研究[ J ] ． 岩土力学 ， 2 0 1 2 4 1 1 7 8 1 1 8 4 ． i n C h i n e s e HAO Ya f e i ， L I Ha i b o， GUO Xu e b i n ， e t a 1 ． C r a c k c h a r ． a c t e r i s t i c s a n d s t a b i l i t y o f r o c k s l o p e b l a s t i n g l a y e r c o n t a i n i n g w e a k i n t e r l a y e r [ J ] ． G e o m e c h a n i c s ， 2 0 1 2 4 1 1 7 8 1 1 8 4 ． i n C h i n e s e 郝亚飞， 李海波， 郭学彬， 等． 含软弱夹层顺层岩体爆 破效应模拟试验研究 [ J ] ． 煤炭学报， 2 0 1 2 3 3 8 9 3 95． HAO Ya f e i ， L I Ha i b o ， GUO Xu e b i n， e t a1． E x p e ri me n t a l s t u d y o f l a y e r e d r o c k b l a s t i n g e f f e c t s s i mu l a t i o n c o n t a i n i n g w e a k i n t e r l a y e r [ J ] ． C o a l ， 2 0 1 2 3 3 8 9 3 9 5 ． i n C h i n e s e